雙碳”目標(biāo)下 新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑的優(yōu)化思路

       習(xí)近平總書記宣布中國(guó)將力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這意味著中國(guó)作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，將完成全球最高碳排放強(qiáng)度降幅，用全球歷史上最短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)從碳達(dá)峰到碳中和。
（來(lái)源：微信公眾號(hào)“中國(guó)電力企業(yè)管理”  ID：zgdlqygl  作者：冷俊 薛禹勝）
       正如兩點(diǎn)之間可以畫無(wú)數(shù)條曲線，“雙碳”目標(biāo)是確定的，但是要從中國(guó)當(dāng)前的狀態(tài)達(dá)到期望中的狀態(tài)，中間可供選擇的路徑有無(wú)數(shù)種。為了優(yōu)化實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的路徑，需要明確以下三個(gè)問(wèn)題：第一，對(duì)“雙碳”達(dá)標(biāo)路徑的準(zhǔn)確描述和評(píng)估，這需要考慮與能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及社會(huì)等環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)，以及合理預(yù)估各種不確定性因素的影響；第二，“雙碳”目標(biāo)與能源安全、經(jīng)濟(jì)安全、環(huán)境安全的協(xié)同優(yōu)化；第三，電力系統(tǒng)如何主動(dòng)支撐“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
       電力系統(tǒng)是能源鏈的樞紐環(huán)節(jié)，以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要支撐。以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是電力發(fā)展與“雙碳”目標(biāo)之間關(guān)系的官方表述，而能源的信息-物理-社會(huì)系統(tǒng)（Cyber-Physic-Social System in Energy，或CPSSE）是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)與能源轉(zhuǎn)型路徑優(yōu)化的框架。
       CPSSE中的信息元素，是指支撐大規(guī)模交流直流混合輸電及電力電子裝備入網(wǎng)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性越加復(fù)雜的先進(jìn)信息技術(shù)，在邁向“雙碳”目標(biāo)的同時(shí)，保證我國(guó)的電力安全、能源安全、經(jīng)濟(jì)安全和環(huán)境安全。
       CPSSE中的物理元素，是指在中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的碳約束條件下，能源領(lǐng)域是減少碳排放的主戰(zhàn)場(chǎng)，新能源大規(guī)模替代火電，能源系統(tǒng)的復(fù)雜性、不確定性大幅提高，電力系統(tǒng)的樞紐角色將更為突出。
       CPSSE中的社會(huì)元素，是指大規(guī)模新型負(fù)荷涌現(xiàn)，輔助服務(wù)與需求側(cè)參與的問(wèn)題更加緊迫，大量社會(huì)參與者的博弈行為，特別是政策與規(guī)則將影響電力系統(tǒng)的工況與響應(yīng)，電力系統(tǒng)必須依靠更加智能的規(guī)劃、調(diào)度及市場(chǎng)引導(dǎo)，才能支撐“雙碳”目標(biāo)。
       本文嘗試從電力系統(tǒng)、智能電網(wǎng)、CPSSE發(fā)展的過(guò)程，統(tǒng)籌考慮信息、物理、社會(huì)三個(gè)元素，提出實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)及能源轉(zhuǎn)型路徑優(yōu)化的框架。
能源鏈轉(zhuǎn)型與“雙碳”目標(biāo)緊密耦合
       習(xí)總書記在2021年考察福建時(shí)強(qiáng)調(diào)：“要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)省建設(shè)布局，科學(xué)制定時(shí)間表、路線圖，建設(shè)人與自然和諧共生的現(xiàn)代化。”筆者認(rèn)為，這里面的“人”即社會(huì)因素，“自然”即物理因素，“科學(xué)制定”和“現(xiàn)代化”反映了信息因素；為了順利實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，就要在時(shí)間表、路線圖上做文章，即在發(fā)展路徑下功夫；要優(yōu)化建設(shè)路徑，就必須對(duì)路徑的代價(jià)實(shí)現(xiàn)量化評(píng)估，進(jìn)而優(yōu)化決策。
       能源鏈中的一次能源通過(guò)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成二次能源，將清潔、方便使用的電能傳輸、分配成為用戶消費(fèi)的終端能源。在可以預(yù)見的將來(lái)，大規(guī)模可再生能源的應(yīng)用，能否順利克服其不確定性與不易控制等技術(shù)特征帶來(lái)的困難，很大程度上取決于電力系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)有效而可靠的轉(zhuǎn)換和平衡。
       能源鏈在支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，也向大氣層排放了大量以二氧化碳為主要代表的溫室氣體，后者嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。能源鏈中的電力系統(tǒng)則是溫室氣體的主要排放源。隨著應(yīng)對(duì)氣候變化成為全球共識(shí)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展也促使人們通過(guò)植樹造林、碳捕獲、利用與封存（CCUS）等手段增加碳匯。大氣層溫室氣體濃度是增加抑或減少，取決于碳排放和碳匯之間的關(guān)系：當(dāng)碳排放大于碳匯時(shí)，溫室氣體的濃度就會(huì)不斷增加造成全球平均溫度的上升，若其超過(guò)了大自然能自我修復(fù)的極限時(shí)，就會(huì)帶來(lái)極端的自然災(zāi)害。
       因此，能源鏈和碳元素鏈?zhǔn)蔷o密耦合的。以全球碳循環(huán)（2010~2019）情況為例，每年我們?nèi)藶榈幕�石燃料燃燒造成的碳排放（約340億噸每年）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出自然的土地生態(tài)活動(dòng)形成的碳匯（約130億噸每年）與海洋生態(tài)活動(dòng)形成的碳匯（約90億噸每年）之和。因?yàn)閯?dòng)物的呼吸、火山活動(dòng)、山火等都會(huì)產(chǎn)生碳排放，所以碳排放不可能降到零值，僅僅依靠碳減排難以實(shí)現(xiàn)碳中和。必須要增加足夠的碳匯來(lái)抵消這部分的碳排放。當(dāng)離碳中和目標(biāo)越來(lái)越近時(shí)，不論是進(jìn)一步減少碳排放，還是進(jìn)一步增加碳匯，都會(huì)越來(lái)越困難。而社會(huì)資源在碳減排與碳增匯的配置決策上也需要優(yōu)化。
       為此，需要獲取碳排放與碳匯的演化軌跡，并從中定性及定量評(píng)估碳中和的程度（例如取為碳匯量與碳排量的差值）；優(yōu)化碳中和的邊際成本。由于目前我國(guó)的減排能力與經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求之間還存在很大差距，因此碳排量還處于增速減緩的爬坡階段，達(dá)峰后的碳排放量將經(jīng)歷波動(dòng)下降、變速下降的階段，而最終實(shí)現(xiàn)碳中和。其中，必須科學(xué)評(píng)估碳減排和增加碳匯的效益與機(jī)會(huì)成本，選擇最優(yōu)的決策來(lái)實(shí)現(xiàn)“雙碳”達(dá)標(biāo)。
那么，如何找到時(shí)間最短而機(jī)會(huì)成本最低的路徑呢？
       我國(guó)采用了市場(chǎng)機(jī)制來(lái)優(yōu)化資金鏈：建立了碳排放市場(chǎng)及碳抵消市場(chǎng)，分別引導(dǎo)碳減排及優(yōu)化社會(huì)資金的投入，從而對(duì)碳減排、碳增匯相關(guān)領(lǐng)域的科技進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到促進(jìn)作用。能源電力系統(tǒng)是我國(guó)首個(gè)進(jìn)入碳市場(chǎng)的行業(yè)。
       值得注意的是，如果碳排放市場(chǎng)和碳抵消市場(chǎng)互相孤立運(yùn)行，沒有有效的協(xié)調(diào)，就可能起不到原先設(shè)想的作用。兩個(gè)市場(chǎng)之間需要協(xié)調(diào)機(jī)制，根據(jù)對(duì)雙碳進(jìn)程的分析及預(yù)測(cè)，通過(guò)對(duì)抵消市場(chǎng)中的碳匯和排放市場(chǎng)中的碳排放權(quán)的態(tài)勢(shì)分析，調(diào)節(jié)兩個(gè)市場(chǎng)商品之間的折算當(dāng)量，來(lái)有序推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
電力行業(yè)是“雙碳”目標(biāo)的主戰(zhàn)場(chǎng)
       發(fā)電、輸電、配電系統(tǒng)都有其經(jīng)濟(jì)模型和物理模型。以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是一個(gè)典型的跨領(lǐng)域跨學(xué)科系統(tǒng)，不但要打破各環(huán)節(jié)之間的信息壁壘，保證信息流的暢通及安全，還必須統(tǒng)籌考慮能源鏈、碳元素鏈、資金鏈、大量參與者的行為，以及信息、物理、社會(huì)元素引入的各種風(fēng)險(xiǎn)源，才能有效支撐新型電力系統(tǒng)的規(guī)劃及運(yùn)行。
       新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑的優(yōu)化與“雙碳”目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)緊密耦合。能源系統(tǒng)在整個(gè)碳排放中占比約80%，而電力行業(yè)的碳排放占比超過(guò)能源行業(yè)的40%，也即約占全國(guó)碳排放總量的三分之一。另一方面，能源領(lǐng)域推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵在于新能源對(duì)化石能源的大規(guī)模替代，以及終端能源側(cè)的大范圍電能替代。因此，電力行業(yè)無(wú)疑是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主戰(zhàn)場(chǎng)中的主力軍。
       2021年3月15日，習(xí)近平總書記主持中央會(huì)議，明確了新能源在未來(lái)電力系統(tǒng)中的主體地位。2030年，我國(guó)風(fēng)、光裝機(jī)預(yù)計(jì)將達(dá)到12~18億千瓦，煤電從基礎(chǔ)電力有序地轉(zhuǎn)為調(diào)控的保證。為此，電力系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)重大轉(zhuǎn)型。建設(shè)新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵和掣肘不僅在于新能源的出力難以預(yù)測(cè)及控制，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的缺乏使電力系統(tǒng)抗故障沖擊的能力降低，還在于大規(guī)模分布式新能源、新型負(fù)荷及大量電力電子裝備的入網(wǎng)，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜化，更由于大量社會(huì)參與者的博弈行為，以及政策調(diào)整對(duì)電力系統(tǒng)工況與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。
       為此，電力及能源系統(tǒng)都必須依靠更加智能的規(guī)劃、調(diào)度及市場(chǎng)引導(dǎo)，才能保證其安全穩(wěn)定性及高效運(yùn)行，進(jìn)而主動(dòng)支撐“雙碳”目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。電力系統(tǒng)需要在各自隨機(jī)變化的供電側(cè)和用電側(cè)之間，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)平衡，保證電力安全、能源安全、經(jīng)濟(jì)安全和環(huán)境安全。2016年，筆者研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在PIEEE上的文章指出：智能電網(wǎng)就是信息物理系統(tǒng)在電力領(lǐng)域中的實(shí)現(xiàn)（CPS in Power）。2017年，筆者研究團(tuán)隊(duì)又在PIEEE發(fā)表了一篇觀點(diǎn)性文章，指出：智能電網(wǎng)的未來(lái)是CPSSE。考慮到實(shí)際情況，筆者研究團(tuán)隊(duì)將以經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、能源安全、環(huán)境安全、社會(huì)參與為約束條件，不斷動(dòng)態(tài)優(yōu)化從當(dāng)前狀態(tài)趨于目標(biāo)狀態(tài)的實(shí)施路徑，從而達(dá)到能源轉(zhuǎn)型凈收益的最大化。實(shí)現(xiàn)路徑的量化評(píng)估，是一個(gè)巨大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要全新的研究范式。其中包括：跨領(lǐng)域的建模、大數(shù)據(jù)的采集、多領(lǐng)域仿真平臺(tái)的搭建、基于混合仿真的沙盤推演、大數(shù)據(jù)中的知識(shí)提取及決策支持、各種不確定因素的考慮。
       在雙碳目標(biāo)及演化路徑的優(yōu)化研究中，筆者團(tuán)隊(duì)按運(yùn)行分析與控制的要求拓展了充裕性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估概念，包括長(zhǎng)期電量的充裕性、可中斷負(fù)荷參與運(yùn)行控制及輔助服務(wù)、水能和核能在能源安全中的重新定位、各種儲(chǔ)能裝備的協(xié)調(diào)運(yùn)行。同時(shí)，也拓展了安全穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，包括非常態(tài)事件的應(yīng)對(duì)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與因果驅(qū)動(dòng)的融合分析，寬頻振蕩行為的分析與控制。此外，在創(chuàng)立電力碳減排和碳中和的機(jī)會(huì)成本算法、碳排放市場(chǎng)與碳抵消市場(chǎng)的協(xié)調(diào)方法的基礎(chǔ)上，研究了碳中和的路徑優(yōu)化算法。
       這場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)的變革，應(yīng)該以“雙碳”目標(biāo)最優(yōu)實(shí)現(xiàn)路徑為決策的依據(jù)。新型電力系統(tǒng)的時(shí)空發(fā)展規(guī)劃，應(yīng)該嵌入到整個(gè)能源轉(zhuǎn)型及“雙碳”目標(biāo)的路徑優(yōu)化過(guò)程中，計(jì)及來(lái)自信息、物理、社會(huì)環(huán)節(jié)的各種不確定性，并涉及信息技術(shù)、自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)等多領(lǐng)域的交叉，復(fù)雜非線性系統(tǒng)的時(shí)空演化規(guī)律的研究。
結(jié)語(yǔ)
       能源領(lǐng)域通過(guò)一次能源的清潔替代、終端能源的電能替代，以及新型電力系統(tǒng)的主動(dòng)支撐，來(lái)保證“雙碳”目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。新型電力系統(tǒng)作為能源系統(tǒng)的樞紐環(huán)節(jié)，其發(fā)展路徑的優(yōu)化與“雙碳”目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)緊密耦合。這不但在規(guī)劃層面上反映為電力（能源）規(guī)劃與“雙碳”路徑設(shè)計(jì)的融合，也在運(yùn)行層面上反映為能量管理系統(tǒng)（EMS）與碳管理系統(tǒng)（CMS）的協(xié)同。（本刊編輯部鄧卓昆對(duì)本文亦有貢獻(xiàn)）
作者簡(jiǎn)介：
冷俊
       研究員級(jí)高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)研究及企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理，現(xiàn)任南瑞集團(tuán)有限公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司）董事長(zhǎng)、黨委書記，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)常務(wù)理事，享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼。曾獲十余項(xiàng)省部級(jí)科技獎(jiǎng)項(xiàng)。
薛禹勝
       穩(wěn)定性理論及電力系統(tǒng)自動(dòng)化專家，中國(guó)工程院院士，現(xiàn)任國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院名譽(yù)院長(zhǎng)。開創(chuàng)了非自治系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的量化理論和電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的定量算法，并廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外。他設(shè)計(jì)的停電防御體系的防御范圍覆蓋了中國(guó)4/5的電網(wǎng)。提出了能源領(lǐng)域的信息-物理-社會(huì)系統(tǒng)的研究框架，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)數(shù)學(xué)模型-多代理-真實(shí)人的混合仿真來(lái)支持決策。